Zespół badaczy z Wielkiej Brytanii i USA opracował system LiDAR wykorzystujący pojedyncze fotony, który może tworzyć obrazy 3D o wysokiej rozdzielczości z odległości nawet 1 kilometra. Ta przełomowa technologia może zrewolucjonizować sposób, w jaki monitorujemy, zabezpieczamy i obserwujemy odległe obiekty.
LiDAR na pojedynczych fotonach, efekt działania >>
Duże w nowym oknie >>
Szczegółowe obrazy z dużych odległości
"Nasz system wykorzystuje detektor pojedynczych fotonów około dwa razy wydajniejszy niż detektory stosowane w podobnych systemach LiDAR raportowanych przez inne grupy badawcze, a jego rozdzielczość czasowa jest co najmniej 10 razy lepsza" - wyjaśnia członek zespołu badawczego Aongus McCarthy z Heriot-Watt University w Wielkiej Brytanii.
W artykule opublikowanym w czasopiśmie Optica, międzynarodowa grupa badaczy pokazała, że ich system może stworzyć obraz 3D przedstawiający wyraźnie rozpoznawalną ludzką twarz z odległości 325 metrów. Badacze pochodzą z grupy Geralda Bullera z Heriot-Watt University, grupy Roberta Hadfielda z University of Glasgow, grupy Matthew Shawa z NASA Jet Propulsion Laboratory oraz grupy Karla Berggrena z MIT.
"Ten rodzaj systemu pomiarowego może prowadzić do udoskonalonych systemów bezpieczeństwa i monitoringu, które mogłyby na przykład uzyskiwać szczegółowe obrazy głębi przez dym lub mgłę oraz w zatłoczonych scenach" - mówi McCarthy, pierwszy autor nowej publikacji. "Mógłby również umożliwić zdalną identyfikację obiektów w różnych środowiskach oraz monitorowanie ruchu budynków lub ścian skalnych w celu oceny osiadania lub innych potencjalnych zagrożeń."
Jak działa superczuły LiDAR?
System obrazowania głębi oparty na czasie przelotu pojedynczego fotonu wykorzystuje czas potrzebny na przebycie przez impuls laserowy drogi od systemu do punktu na obiekcie i z powrotem, aby obliczyć odległość do obiektu. Pomiary te są następnie powtarzane dla punktów na całym obiekcie w celu uzyskania informacji 3D.
Nowy system wykorzystuje ultrawrażliwy detektor nazywany nadprzewodzącym nanodrutowym detektorem pojedynczych fotonów (SNSPD), opracowany przez grupy badawcze z MIT i JPL. SNSPD może wykryć pojedynczy foton światła, co oznacza, że do wykonywania pomiarów w bardzo krótkim czasie i na dużych odległościach można używać laserów o bardzo niskiej mocy, w tym laserów bezpiecznych dla oka.
Aby zmniejszyć poziom szumów, detektor został schłodzony do temperatury poniżej 1 kelwina w kompaktowym systemie chłodzenia zaprojektowanym i zbudowanym przez grupę z University of Glasgow. Badacze połączyli schłodzony SNSPD z nowym niestandardowym jednopikselowym nadajnikiem-odbiornikiem skanującym, działającym przy długości fali 1550 nm, który został zaprojektowany przez McCarthy'ego w Heriot-Watt University.
Dodali również zaawansowane urządzenia czasowe do mierzenia niezwykle precyzyjnych przedziałów czasowych - dokładnych do bilionowych części sekundy (pikosekund). Dla porównania, w zaledwie 1000 pikosekund światło może przemieścić się o około 300 milimetrów (około 30 cm). Ta precyzja umożliwiła rozróżnienie powierzchni oddzielonych o około 1 mm w głębi z odległości 325 metrów.
Testy terenowe wykazały niezwykłą precyzję
Badacze przeprowadzili testy terenowe swojego systemu LiDAR na kampusie Heriot-Watt University, wykonując pomiary obiektów oddalonych o 45 metrów, 325 metrów lub 1 kilometr.
Aby ocenić rozdzielczość przestrzenną i głębokościową, zeskanowali niestandardowy cel wydrukowany w 3D o różnych rozmiarach i wysokościach słupków. System rozróżniał cechy tak małe jak 1 mm w świetle dziennym z odległości 45 i 325 metrów - rozdzielczość głębokości około 10 razy lepsza niż osiągnęli wcześniej. Uchwycili również obraz 3D ludzkiej twarzy z tych odległości przy czasie akwizycji 1 ms na piksel, używając bezpiecznego dla oka lasera o mocy 3,5 mW i minimalnego przetwarzania danych.
"Doskonała rozdzielczość głębi systemu oznacza, że byłby szczególnie dobrze dostosowany do obrazowania obiektów za przeszkodami, takimi jak liście czy siatka maskująca - scenariusz, który byłby trudny dla aparatu cyfrowego" - powiedział McCarthy. "Na przykład mógłby rozróżnić obiekt znajdujący się kilka centymetrów za siatką maskującą, podczas gdy systemy o gorszej rozdzielczości nie byłyby w stanie wychwycić obiektu."
Perspektywy na przyszłość
Chociaż próby terenowe systemu LiDAR były ograniczone do zasięgu 1 kilometra, badacze planują przetestować system na odległościach do 10 km i zbadać obrazowanie przez atmosferyczne przeszkody, takie jak dym i mgła.
Przyszłe prace skupią się również na wykorzystaniu zaawansowanych metod obliczeniowych w celu przyspieszenia analizy danych i umożliwienia obrazowania bardziej odległych scen.
Co więcej, ponieważ detektory SNSPD mogą działać przy długościach fali dłuższych niż 1550 nm, ta konstrukcja otwiera drzwi do opracowania systemu LiDAR w średniej podczerwieni, który mógłby jeszcze bardziej poprawić obrazowanie przez mgłę, dym i inne przeszkody.
Technologia ta może znaleźć zastosowanie w systemach bezpieczeństwa, monitorowaniu infrastruktury krytycznej, mapowaniu terenu, autonomicznych pojazdach, a nawet w eksploracji kosmosu - wszędzie tam, gdzie potrzebne jest precyzyjne obrazowanie 3D na dużych odległościach.
Źródło: Phys.org: Single-photon LiDAR delivers detailed 3D images at distances up to 1 kilometer
High-resolution long-distance depth imaging LiDAR with ultra-low timing jitter superconducting nanowire single-photon detectors --> Optica --> DOI --> DOI: 10.1364/OPTICA.544877
"Nasz system wykorzystuje detektor pojedynczych fotonów około dwa razy wydajniejszy niż detektory stosowane w podobnych systemach LiDAR raportowanych przez inne grupy badawcze, a jego rozdzielczość czasowa jest co najmniej 10 razy lepsza" - wyjaśnia członek zespołu badawczego Aongus McCarthy z Heriot-Watt University w Wielkiej Brytanii.
W artykule opublikowanym w czasopiśmie Optica, międzynarodowa grupa badaczy pokazała, że ich system może stworzyć obraz 3D przedstawiający wyraźnie rozpoznawalną ludzką twarz z odległości 325 metrów. Badacze pochodzą z grupy Geralda Bullera z Heriot-Watt University, grupy Roberta Hadfielda z University of Glasgow, grupy Matthew Shawa z NASA Jet Propulsion Laboratory oraz grupy Karla Berggrena z MIT.
"Ten rodzaj systemu pomiarowego może prowadzić do udoskonalonych systemów bezpieczeństwa i monitoringu, które mogłyby na przykład uzyskiwać szczegółowe obrazy głębi przez dym lub mgłę oraz w zatłoczonych scenach" - mówi McCarthy, pierwszy autor nowej publikacji. "Mógłby również umożliwić zdalną identyfikację obiektów w różnych środowiskach oraz monitorowanie ruchu budynków lub ścian skalnych w celu oceny osiadania lub innych potencjalnych zagrożeń."
Jak działa superczuły LiDAR?
System obrazowania głębi oparty na czasie przelotu pojedynczego fotonu wykorzystuje czas potrzebny na przebycie przez impuls laserowy drogi od systemu do punktu na obiekcie i z powrotem, aby obliczyć odległość do obiektu. Pomiary te są następnie powtarzane dla punktów na całym obiekcie w celu uzyskania informacji 3D.
Nowy system wykorzystuje ultrawrażliwy detektor nazywany nadprzewodzącym nanodrutowym detektorem pojedynczych fotonów (SNSPD), opracowany przez grupy badawcze z MIT i JPL. SNSPD może wykryć pojedynczy foton światła, co oznacza, że do wykonywania pomiarów w bardzo krótkim czasie i na dużych odległościach można używać laserów o bardzo niskiej mocy, w tym laserów bezpiecznych dla oka.
Aby zmniejszyć poziom szumów, detektor został schłodzony do temperatury poniżej 1 kelwina w kompaktowym systemie chłodzenia zaprojektowanym i zbudowanym przez grupę z University of Glasgow. Badacze połączyli schłodzony SNSPD z nowym niestandardowym jednopikselowym nadajnikiem-odbiornikiem skanującym, działającym przy długości fali 1550 nm, który został zaprojektowany przez McCarthy'ego w Heriot-Watt University.
Dodali również zaawansowane urządzenia czasowe do mierzenia niezwykle precyzyjnych przedziałów czasowych - dokładnych do bilionowych części sekundy (pikosekund). Dla porównania, w zaledwie 1000 pikosekund światło może przemieścić się o około 300 milimetrów (około 30 cm). Ta precyzja umożliwiła rozróżnienie powierzchni oddzielonych o około 1 mm w głębi z odległości 325 metrów.
Testy terenowe wykazały niezwykłą precyzję
Badacze przeprowadzili testy terenowe swojego systemu LiDAR na kampusie Heriot-Watt University, wykonując pomiary obiektów oddalonych o 45 metrów, 325 metrów lub 1 kilometr.
Aby ocenić rozdzielczość przestrzenną i głębokościową, zeskanowali niestandardowy cel wydrukowany w 3D o różnych rozmiarach i wysokościach słupków. System rozróżniał cechy tak małe jak 1 mm w świetle dziennym z odległości 45 i 325 metrów - rozdzielczość głębokości około 10 razy lepsza niż osiągnęli wcześniej. Uchwycili również obraz 3D ludzkiej twarzy z tych odległości przy czasie akwizycji 1 ms na piksel, używając bezpiecznego dla oka lasera o mocy 3,5 mW i minimalnego przetwarzania danych.
"Doskonała rozdzielczość głębi systemu oznacza, że byłby szczególnie dobrze dostosowany do obrazowania obiektów za przeszkodami, takimi jak liście czy siatka maskująca - scenariusz, który byłby trudny dla aparatu cyfrowego" - powiedział McCarthy. "Na przykład mógłby rozróżnić obiekt znajdujący się kilka centymetrów za siatką maskującą, podczas gdy systemy o gorszej rozdzielczości nie byłyby w stanie wychwycić obiektu."
Perspektywy na przyszłość
Chociaż próby terenowe systemu LiDAR były ograniczone do zasięgu 1 kilometra, badacze planują przetestować system na odległościach do 10 km i zbadać obrazowanie przez atmosferyczne przeszkody, takie jak dym i mgła.
Przyszłe prace skupią się również na wykorzystaniu zaawansowanych metod obliczeniowych w celu przyspieszenia analizy danych i umożliwienia obrazowania bardziej odległych scen.
Co więcej, ponieważ detektory SNSPD mogą działać przy długościach fali dłuższych niż 1550 nm, ta konstrukcja otwiera drzwi do opracowania systemu LiDAR w średniej podczerwieni, który mógłby jeszcze bardziej poprawić obrazowanie przez mgłę, dym i inne przeszkody.
Technologia ta może znaleźć zastosowanie w systemach bezpieczeństwa, monitorowaniu infrastruktury krytycznej, mapowaniu terenu, autonomicznych pojazdach, a nawet w eksploracji kosmosu - wszędzie tam, gdzie potrzebne jest precyzyjne obrazowanie 3D na dużych odległościach.
Źródło: Phys.org: Single-photon LiDAR delivers detailed 3D images at distances up to 1 kilometer
High-resolution long-distance depth imaging LiDAR with ultra-low timing jitter superconducting nanowire single-photon detectors --> Optica --> DOI --> DOI: 10.1364/OPTICA.544877
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz